CN110504881A - 一种基于tnpc逆变器的永磁同步电机无传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于TNPC逆变器的永磁同步电机无传感器控制方法属于高精度电机控制领域：传统的电机控制系统对电机控制精度较低，传感器增大电机转动惯量影响电机性能、两电平逆变器输出电压精度较低等缺点，不适合高精度工业领域。本发明在双闭环矢量控制系统基础上进行了改进，采用三电平的TNPC型逆变器代替传统两电平逆变器，减小了输出电流谐波、增大了输出功率，提高了对电机控制的精度，扩展卡尔曼滤波观测器取代了传统位置传感器，减少了电机的转动惯量和摩擦，提高了电机运行的稳定性，同时也提高了对转速的估计精度，增强了系统的鲁棒性。

Description

一种基于TNPC逆变器的永磁同步电机无传感器控制方法

技术领域

本发明属于高精度永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种基于TNPC逆变器的永磁同步电机无传感器控制方法。

背景技术

高性能电机控制系统的研究是提升工业水平的关键技术。随着电力电子技术的发展，交流调速系统已经逐渐成为了主流调速系统，在很多的领域中甚至超越直流调速获得了更广泛的工业应用。这是因为相比直流电机，交流电机维护费用低，转矩质量比大，可靠性更高。

永磁同步电机具有高功率密度，优越的动态响应性能，由于转子使用永磁体励磁，使得永磁同步电机调速系统结构比异步感应电机简单得多，永磁体材料往往比金属材料密度小，这使得永磁同步电机的转动惯量更低，因此永磁同步电机特别适用于伺服系统中，尤其是对体积和质量有严格要求的航天或者电动汽车等领域，永磁同步电机得到了广泛的应用，如今在工业4.0的浪潮下，高精度工业领域如工业机器人、机械手臂、新型数控机床也是PMSM伺服系统大有可为的用武之地，可以说抓紧机遇埋头发展是我国当下科研和工业领域的主题。而上述工业领域的发展都离不开永磁同步电机伺服控制系统的发展。如何进一步提高永磁同步电机控制系统的控制精度，降低稳态误差，提升动态性能和调速性能、进一步提升系统效率和可靠性，降低成本已经是各国电气传动领域、自动控制领域、电力电子领域专家和学者提上日程的课题。

发明内容

本发明克服了传统高精度永磁同步电机控制系统的缺点，采用三电平的TNPC型逆变器代替传统两电平逆变器，减小了输出电流谐波、增大了输出功率，提高了对电机控制的精度，扩展卡尔曼滤波观测器(EKF)取代了传统位置传感器，减少了电机的转动惯量和摩擦，提高了电机运行的稳定性，同时也提高了对转速的估计精度，增强了系统的鲁棒性。

本发明的技术方案：一种基于TNPC型逆变器的的永磁同步电机无传感器控制方法，包括以下步骤：

步骤1、将测得的永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c和输入电压u_a、u_b、u_c，经CLARK变换得到两相静止坐标系下电流i_α、i_β和输入电压u_α、u_β，然后将i_α、i_β和u_α、u_β送到扩展卡尔曼滤波观测器中；

步骤2、根据给定电压u_α、u_β和电流i_α、i_β通过扩展卡尔曼滤波算法估算出电机此时刻转速ω_e；

步骤3、将估计得到的转速ω_e与给定转速相比较后得到的差值经过速度控制器得到q电流矢量参考值，将q电流矢量参考值与测得的q轴实际电流相比较，得到的差值再经过电流控制器1得到q轴电压矢量参考值；

步骤4、将测得的三相电流进行坐标变换后得到d轴电流，与给定电流值0相比较，得到的差值经过电流控制器得到d轴参考电压值；

步骤5、将d轴、q轴参考电压值送入空间电压矢量筛选模块中进行筛选，从TNPC逆变器的27种输出电压矢量选取最优的电压矢量输出对永磁同步电机进行控制；

步骤6、重复步骤1-5，直至永磁同步电机转速达到给定值。

进一步地，步骤2中扩展卡尔曼滤波算法具体为：

对状态矢量进行预测，

计算输出，

计算误差协方差矩阵，

其中，F(k)为雅可比矩阵，

计算扩展卡尔曼滤波算法的增益矩阵，

对预测状态矢量进行反馈校正，获得优化的状态估计

估计误差协方差矩阵，

进一步地，步骤1中坐标变换公式为

进一步地，步骤2中坐标变换公式为

附图说明

图1是本发明结构一图

图2是本法明控制原理图

图3是扩展卡尔曼滤波算法结构框图

图4是TNPC逆变器产生的电压矢量图

图5是TNPC逆变器原理图

具体实施方式

本发明根据永磁同步电机转速电流双闭环矢量控制策略，结合TNPC逆变器和扩展卡尔曼滤波算法，实现永磁同步电机的高精度控制。通过给定的转速值与卡尔曼滤波器估算的实际转速值相比较，得到的差值通过转速控制器后与测得的q轴实际电流值相比较得到电流q轴电流参考值，实际测得的d轴电流值与0进行比较得到d轴电流参考值，所得d、q轴电流参考值经过电流控制器得到参考电压，经SVPWM调制后输出PWM波控制TNPC逆变器输出所需电压。TNPC多电平逆变器输出27种电压矢量，提高了电压输出精度，扩展卡尔曼滤波算法实现永磁同步电机无传感器控制，简化了控制系统，提高了永磁同步电机的控制精度。

下面结合附图对本发明具体实施方案进行阐述。

如附图1所示，一种基于TNPC逆变器的永磁同步电机无传感器控制方法，包括一种基于TNPC型逆变器的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，包括直流电源模块(1)、TNPC逆变器(2)、驱动电路模块(6)、永磁同步电机(3)、主控模块(5)、传感器模块(4)，其中传感器模块包括电压检测模块、电流检测模块、主控模块包括PARK坐标变换、CLACK坐标变换、PARK坐标反变换、速度控制器、电流控制器、空间电压矢量筛选，以及扩展卡尔曼滤波观测器；

所述传感器模块包括电压检测模块、电流检测模块均宇波模块CHV-25P霍尔电压传感器，所述TNPC逆变器所用IGBT开关管均选用型号为CM200DY-34A的IGBT，所诉驱动电路模块所用芯片为美国IR公司生产的IR2110驱动芯片，所述主控电路采用芯片为DSP，型号为TI公司生产的TMS320F28335。

工作原理

如附图2所示，霍尔传感器检测出永磁同步电机三相电流，将检测到的电流经CLARK变换后得到α、β坐标系下电流，通过扩展卡尔曼滤波算法估计出永磁同步电机实际转速，与给定转速相比较后，将差值经过速度控制器后得到电流参考值经过电流控制器获得参考电压值，控制逆变器输出电压，对电机进行控制。

永磁同步电机在两相静止坐标系下数学模型为，

其中，R为定子电阻，L为定子电感，ω_e为转子电角速度，ψ_f为转子磁链，θ_e为转子电角度

将上式变换为电流方程，可得

考虑到下式所示的关系式，

可以获得如下的状态方程，

y＝Cx

其中，x为状态变量，u为输入量，y为输出量，

状态方程的离散化数学模型为，

x(k+1)＝f[x(k)]+B(k)u(k)+V(k)

y(k)＝C(k)x(k)+W(k)

其中，V(k)为系统噪声，W(k)为测量噪声，且V(k)和W(k)均为零均值白噪声，满足下式所示关系，

E{V(k)}＝0,E{W(k)}＝0

如附图3所示，扩展卡尔曼滤波器原理具体实施为，

利用上述永磁同步电机状态方程的离散化数学模型，对状态矢量进行预测，

计算输出，

计算误差协方差矩阵，

其中，F(k)为雅可比矩阵，

计算扩展卡尔曼滤波算法的增益矩阵，

对预测状态矢量进行反馈校正，获得优化的状态估计

估计误差协方差矩阵，

TNPC型三电平逆变器工作原理如附图5所示，所述的TNPC型逆变器主电路共由12个IGBT互相连接构成，A、B、C三相电路相分别由四个排列成T型的IGBT组成，其中，T_a1的集电极与分压电容C₁正极相连，T_a1发射极与T_a3的集电极相连，T_a3发射极与T_a4发射极相连，T_a4集电极与分压电容C₁负极和分压电容C₂正极相连，T_a2集电极与T_a1发射极和T_a3集电极相连，T_a2发射极与分压电容C₂负极相连，B、C两相IGBT连接与A相相同，A、B、C三相IGBT构成TNPC型逆变器主电路，其中分压电容C₁＝C₂，电阻R_a＝R_b＝R_c，电抗器L_a＝L_b＝L_c。

进一步地，所述TNPC型三电平逆变器工作原理，其工作状态I(u_a>0，i_a<0)为功率开关管T_a2常断，T_a4常通，T_a1、T_a3交替导通作PWM切换。当T_a1导通、T_a3关断时，电流i_a流经T_a1的反并联二极管，流向电容C₁的正极，u_a此时为正的U_d/2。当T_a1关断、T_a3导通时，电流i_a流经T_a3和T_a4的反并联二极管，流向中性点，此时u_a此时为0。

进一步地，所述TNPC型三电平逆变器工作原理，其工作状态II(u_a>0，i_a>0)为功率开关管T_a2常断，T_a4常通，T_a1、T_a3交替导通作PWM切换。当T_a1导通、T_a3关断时，电流i_a流经T_a1，流向链接电抗器，u_a此时为正的U_d/2。当T_a1关断、T_a3导通时，电流i_a流经T_a4和T_a3的反并联二极管，流向链接电抗器，此时u_a此时为0。

进一步地，所述TNPC型三电平逆变器工作原理，其工作状态III(u_a<0，i_a>0)为功率开关管T_a1常断，T_a3常通，T_a2、T_a4交替导通作PWM切换。当T_a2导通、T_a4关断时，电流i_a流经T_a2的反并联二极管，流向链接电抗器，u_a此时为负的U_d/2。当T_a2关断、T_a4导通时，电流i_a流经T_a4和T_a3的反并联二极管，流向链接电抗器，u_a此时为0。

进一步地，所述TNPC型三电平逆变器工作原理，其工作状态IV(u_a<0，i_a<0)为功率开关管T_a1常断，T_a3常通，T_a2、T_a4交替导通作PWM切换。当T_a2导通、T_a4关断时，电流i_a流经T_a2，流向电容C₂的负极，u_a此时为负的U_d/2。当T_a2关断、T_a4导通时，电流i_a流经T_a3和T_a4的反并联二极管，流向中性点，此时u_a为0。

进一步地，所述TNPC型三电平逆变器工作原理，其每相桥臂共有三种输出状态，用开关函数表示输出状态为：

其中，S_a、S_b、S_c分别代表1、0、-1，对应于P、O、N三个电平点，根据不同的开关状态可以组合出27个电压输出情况，即27种基本电压矢量。

定义三相电路输出电压矢量为U₀，

将不同种开关状态代入即可得到不同的电压矢量，将27个开关状态带入能得到对应的输出基本电压矢量，附图4为TNPC逆变器输出基本电压矢量图。

如附图4所示，将27种空间电压矢量划分为6个大扇区，每个大扇区分为6个小扇区，每个小扇区有3种基本电压矢量，首先判断给定的参考电压矢量属于哪个大扇区，然后进一步判断属于该大扇区下哪个小扇区，确定合成参考电压的基本电压矢量，通过伏秒平衡原理计算出每个基本矢量的作用时间，伏秒平衡原理公式如下：

其中，V_ref为参考电压值，V₁、V₂、V₃为基本电压矢量，T_s为采样周期，T₁、T₂、T₃为基本电压矢量作用时间

将所得的基本电压矢量和其作用时间转换为每相桥臂的开关状态及开关时间，将开关状态和开关时间以PWM波形式送给逆变器，使逆变器输出参考电压。

Claims (5)

1.一种基于TNPC型逆变器的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，包括直流电源模块（1）、TNPC逆变器（2）、驱动电路模块（6）、永磁同步电机（3）、主控模块（5）、传感器模块（4），其中传感器模块包括电压检测模块、电流检测模块、主控模块包括PARK坐标变换、CLARK坐标变换、PARK坐标反变换、速度控制器、电流控制器、空间电压矢量筛选，以及扩展卡尔曼滤波观测器。

2.一种基于TNPC逆变器的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）通过电流检测模块检测永磁同步电机输入电流；

（2）将检测到的电流送入卡尔曼滤波器模块，通过扩展卡尔曼滤波观测器观测永磁同步电机转速ω；

（3）将观测出的转速ω与给定转速ω ^* 进行比较，比较后的差值送入速度控制器得到q轴电流的参考值i ^*，将i ^*与永磁同步电机实际q轴电流相比较，差值经过电流控制器得到q轴参考电压；

（4）将检测到的d轴电流与0相比较，比较后的差值送入电流控制器得到q轴参考电压；

（5）将d、q轴参考电压经坐标变换得到α、β坐标系下电压，将得到的α、β坐标系下电压送入空间电压矢量筛选模块，在TNPC逆变器的27种电压矢量中选取最优的两条矢量用来合成所需电压矢量，使TNPC逆变器输出的电压为参考值，实现对永磁同步电机的控制；

（6）进入下一采样时刻，重复步骤（1）～（4）。

3.根据权利要求1所述一种基于TNPC逆变器的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于：步骤（3）中所述的TNPC型逆变器主电路共由12个IGBT互相连接构成，A、B、C三相电路相分别由四个排列成T型的IGBT组成，其中，T_a1的集电极与分压电容C₁正极相连，T_a1发射极与T_a3的集电极相连，T_a3发射极与T_a4发射极相连，T_a4集电极与分压电容C₁负极和分压电容C₂正极相连，T_a2集电极与T_a1发射极和T_a3集电极相连，T_a2发射极与分压电容C₂负极相连，B、C两相IGBT连接与A相相同，A、B、C三相IGBT构成TNPC型逆变器主电路。

4.根据权利要求1所述一种基于TNPC逆变器的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于：步骤（1）中所述的扩展卡尔曼滤波观测器观测转速具体为：

对状态矢量进行预测，即由输入u(k)和上次的最优化状态估计来预测下一时间点的值，

其中， T _s为采样周期，“^”表示最优状态估计，“~”表示预测值；

计算此预测量对应的输出，

计算误差协方差矩阵，

其中，F(k)为雅可比矩阵，

计算扩展卡尔曼滤波算法的增益矩阵，

对预测状态矢量进行反馈校正，获得优化的状态估计，

估计误差协方差矩阵，

进入下一采样时刻，重复以上过程，直至估计电机转速达到给定值。

根据权利要求1所述一种基于TNPC逆变器的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于：步骤（5）中所述的空间电压矢量筛选具体为：

5.TNPC逆变器每桥臂输出3种电压，三相桥臂共输出27种电压矢量，将27种空间电压矢量划分为6个大扇区，每个大扇区分为6个小扇区，每个小扇区有3种基本电压矢量，首先判断给定的参考电压矢量属于哪个大扇区，然后进一步判断属于该大扇区下哪个小扇区，确定合成参考电压的基本电压矢量，通过伏秒平衡原理计算出每个基本矢量的作用时间，伏秒平衡原理公式如下：

其中,V _ref为参考电压值, V ₁、V ₂、V ₃为基本电压矢量，T _s为采样周期，T ₁、T ₂、T ₃为基本电压矢量作用时间

将所得的基本电压矢量和其作用时间转换为每相桥臂的开关状态及开关时间，将开关状态和开关时间以PWM波形式送给逆变器，使逆变器输出参考电压。